Tubo de tiro

Un tubo de aspiración es un tubo divergente instalado a la salida del rodete de una turbina y utilizado para aprovechar la energía cinética disponible del agua a la salida del rodete. ^{[ 1 ]}

Este tubo de aspiración al final de la turbina aumenta la presión del fluido de salida a costa de su velocidad. Esto significa que la turbina puede reducir la presión en mayor medida sin temor a que se produzca un reflujo desde el canal de descarga.

En una turbina de impulso, la altura de caída disponible es alta y no hay un efecto significativo en la eficiencia si la turbina se coloca un par de metros por encima del canal de descarga . Pero en el caso de las turbinas de reacción, si la altura de caída neta es baja y la turbina se instala por encima del canal de descarga, puede haber una pérdida apreciable de la altura de presión disponible para alimentar la turbina. Además, si la presión del fluido en el canal de descarga es mayor que a la salida de la turbina, un reflujo de líquido hacia la turbina puede causar daños importantes.

Al colocar un tubo de aspiración (también llamado tubo difusor o conducto) a la salida de la turbina, se incrementa la presión de la turbina al disminuir la velocidad de salida, lo que permite mejorar tanto la eficiencia general como la potencia de salida de la turbina. El tubo de aspiración funciona convirtiendo parte de la energía cinética a la salida del rotor de la turbina en energía de presión útil. ^{[ 2 ]}

El uso de un tubo de aspiración también tiene la ventaja de colocar la estructura de la turbina por encima del canal de descarga, de modo que se puedan realizar más fácilmente las inspecciones necesarias y se reduzca la cantidad de excavación requerida para la construcción.

La eficiencia de un tubo de aspiración se define como la relación entre la conversión real de energía cinética en energía de presión dentro del tubo de aspiración y la energía cinética disponible en la entrada del tubo de aspiración.

ɳ = Diferencia de energía cinética entre las pérdidas en el tubo de entrada y de salida / Energía cinética en la entrada.

ɳ _dt =  :${\displaystyle {\frac {(V_{2}^{2}-V_{3}^{2})-2gh_{d}}{V_{2}^{2}}}}$

V ₂ = Velocidad del fluido a la entrada del tubo de aspiración o a la salida de la turbina.

V ₃ = Velocidad del fluido a la salida del tubo de aspiración

g = aceleración gravitatoria

h _d = pérdidas de carga en el tubo de aspiración

Un tubo de aspiración permite colocar una turbina por encima del canal de descarga y, al mismo tiempo, permite que funcione con la misma eficiencia que si estuviera colocada en el canal de descarga. ^{[ 2 ]}

La cavitación se produce cuando la presión absoluta local cae por debajo de la presión de vapor saturado del agua para la temperatura del agua. ^{[ 3 ]} La altura del tubo de aspiración es un parámetro importante para evitar la cavitación. Aplicando la ecuación de Bernoulli entre la salida del rodete y el punto de descarga del tubo de aspiración (despreciando cualquier pérdida de carga en el tubo de aspiración):

${\displaystyle z_{2}\,+\,{\frac {p_{2}}{\rho g}}\,+\,{\frac {V_{2}^{2}}{2\,g}}\,=\,z_{3}\,+\,{\frac {p_{3}}{\rho g}}\,+\,{\frac {V_{3}^{2}}{2\,g}},}$

z ₂ = z (Altura del tubo de aspiración)

z ₃ = altura del canal de desagüe que se toma como referencia como línea de referencia (=0)

p ₂ = presión en la salida del corredor

p ₃ = presión manométrica

${\displaystyle {\frac {p_{2}}{\rho g}}\,=\,-\,\left[z\,+\,{\frac {V_{2}^{2}-V_{3}^{2}}{2\,g}}\right]\,}$

Debido a que un tubo de tiro es un difusor, V ₃ siempre es menor que V ₂ , lo que implica que p ₂ siempre es negativo, por lo tanto, la altura del tubo de tiro es un parámetro importante para evitar la cavitación. ^{[ 1 ]}

1. Difusor cónico o tubo divergente recto: este tipo de tubo de aspiración consta de un difusor cónico con un semiángulo generalmente menor o igual a 10° para evitar la separación del flujo . Se suele emplear en turbinas Francis de eje vertical y baja velocidad específica . La eficiencia de este tipo de tubo de aspiración es del 90%.
2. Tubo de aspiración simple tipo codo: Consiste en un tubo acodado extendido. Generalmente se utiliza cuando la turbina debe ubicarse cerca del canal de descarga. Ayuda a reducir el costo de excavación y el diámetro de salida debe ser lo más grande posible para recuperar la energía cinética en la salida del rodete. La eficiencia de este tipo de tubo de aspiración es inferior a casi el 60%.
3. Codo con sección transversal variable: Es similar al tubo de tiro curvado, excepto que la parte curvada tiene una sección transversal variable con una salida rectangular. La porción horizontal del tubo de tiro generalmente está inclinada hacia arriba para evitar la entrada de aire por el extremo de salida. ^{[ 2 ]}